CN103081567A - 在硅酮中悬浮、在远程磷光体构造中模制/形成和使用的磷光体 - Google Patents

在硅酮中悬浮、在远程磷光体构造中模制/形成和使用的磷光体 Download PDF

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Abstract

一种发光组件包括承载至少一个发光二极管的支承件。透光圆顶由硅酮构成，硅酮包括定位成接收由二极管发出的光的磷光体材料。玻璃罩覆盖所述圆顶。

Description

在硅酮中悬浮、在远程磷光体构造中模制/形成和使用的磷光体
本申请要求2010年7月28日提交的美国临时申请No. 61/368,376的优先权，该申请的内容通过引用而结合在本文中。
技术领域
目前的示例性实施例涉及照明领域。目前的示例性实施例特别与基于一个或多个发光芯片的发光组件(package)及其制造方法结合起来应用，并且将特别参照该发光组件及其制造方法来描述目前的示例性实施例。但要理解的是，目前的示例性实施例也服从其它类似应用。
背景技术
基于半导体发光芯片的发光组件，诸如发光二极管(LED)，越来越多地用于照明目的。LED由掺有用以产生p-n结的杂质的半导体材料组成，其中，电流从p侧(阳极)流到n-侧(阴极)。各个LED典型地产生在单色点处是饱和光的辐射，诸如在窄光谱范围内的红光、蓝光、绿光、紫光或紫外光。已知的是使LED与转化波长的磷光体(phosphor)操作性地耦合，以便产生期望的光输出，诸如近似白光的输出。进一步已知的是使芯片与透明的透镜耦合，透镜可为成形为期望的透镜化构造(诸如圆顶)的模制密封剂。
现在参照图1，公开一种现有技术的LED灯(美国专利No. 7,029,935)，其由接收发光二极管12的安装衬底10组成。LED 12设置在密封剂14内。透明的塑料外壳16包括磷光体18。透明的内芯19填充外壳16。在备选装置中，磷光体直接涂覆在半导体发光装置本身上。备选地，磷光体直接涂覆在外壳的表面上。
通过引用而结合在本文中的申请No. 2008/0054280公开一种具有由电路板支承的发光芯片的发光组件。透光外壳呈圆顶形地设置在发光芯片上面。磷光体浆料喷涂在外壳的内表面上，磷光体浆料然后固化。此方法提供合意的颜色变化；但是，此方法会导致大量磷光体浪费，因为对涂覆方法的控制不精确。
本实施例提供一种具有改进的特性和合乎需要的好处的发光组件。
发明内容
根据一方面，提供一种用于制造发光组件的方法，其包括：将至少一个发光芯片固定到板上；将两部分或更多部分的硅酮与磷光体材料预混合，从而形成给料(feedstock)；使给料在模具中成形；对模具进行后处理，以形成有磷光体悬浮在其中的硅酮外壳；以及将外壳设置在发光芯片上面。
根据另一方面，提供一种发光组件，其包括至少一个发光芯片，支承该至少一个发光芯片的板，以及包括设置于其中的磷光体材料的透光性硅酮外壳。透光性硅酮外壳设置在发光芯片上面。
根据另外的方面，提供一种发光组件，其包括承载(hosting)至少一个发光二极管的支承件。由包括磷光体材料的硅酮构成的透光圆顶定位成接收由二极管发出的光。玻璃罩覆盖在所述圆顶上。
根据附加的方面，提供一种由至少一个发光二极管和硅酮片材组成的发光组件。片材接收由二极管发出的光，并且包括散布的磷光体材料。玻璃构件固定到片材上。
附图说明
图1示出现有技术的发光组件；
图2示出主题发光组件的示例性实施例；
图3示出主题发光组件的另外的示例性实施例；
图4示出形成本硅酮透光外壳的示例性过程的流程图；
图5示出形成硅酮外壳的示例性模具；
图6示出主题发光组件的另外的示例性实施例。
具体实施方式
根据一方面，图2描绘发光组件20，其包括印刷电路板22，在印刷电路板22上设置有一个或多个LED 24。印刷电路板可为金属芯印刷电路板、绝缘电路板等等。板上的芯片的数量可为一、二、三、四、五个或更多个。安装在板上的芯片可为相同的种类(例如，各自发出蓝光的四个芯片)；但是，可使用两个或更多个不同种类的芯片。例如，可使用一组红、绿和蓝芯片来共同近似白光。LED芯片可为近紫外、紫、蓝、绿、黄、橙、红和/或红外发光二极管芯片，它们发出波长为315 mm及以上(例如400 mm及以上)的辐射。
在一个实施例中，板是金属芯印刷电路板，金属芯印刷电路板包括铜板或其它金属芯以及夹在介电层之间的印刷电路层。可选地，附加的绝缘层可设置在金属芯层的后侧上面。此外，构想到包括两个或更多个独立的且区别的印刷电路层。发光芯片可在管芯附连过程中以机械和/或电的方式与印刷电路板连接。管芯附连可采用表面安装技术，其中，芯片通过焊接直接安装到印刷电路板的表面上。备选地，芯片倒装接合到接合垫上，接合垫与板的印刷电路层电连接。这种倒装接合提供芯片对板的机械固定，并且提供电输入路径，以对芯片提供电功率。例如，设置在板上的连接器合适地使得电功率耦合到板上以通过印刷电路层对芯片提供功率成为可能。
LED芯片可为在芯片的同一侧上具有n-电极和p-电极两者且通过倒装芯片接合来接触板的横向芯片。在其它实施例中，芯片是在芯片的对侧上有电极的竖向芯片，并且一个电极焊接或倒装接合到板的接合垫上，而芯片的对侧上的另一个电极通过引线接合进行接触。在其它实施例中，芯片能包括都通过引线接合进行接触的两个电极，并且芯片焊接到板上，以提供对板的机械附连。根据一个实施例，板具有平的水平表面，并且芯片平坦地直接安装在板上，使得与在芯片设置在板上的凹部中时出现的更竖向的分布相比，芯片能够有更均匀的180度分布。板可选地支承通过印刷电路层或通过引线接合等与发光芯片操作性地连接的其它构件。例如，板可支承齐纳二极管，以提供静电放电保护、功率调整电路、稳压电路、限流电路、整流电路等。
提供填充有磷光体材料28的透光硅酮外壳26，以接收来自LED 24的光。与常用的塑料或玻璃外壳相比，硅酮展示优异的抗氧性、抗臭氧性和抗紫外光性。硅酮与塑料不同，因为塑料在聚合物主链(backbone)中具有有机碳，而硅酮则包括混合的无机-有机聚合物，其具有无机硅酮-氧主链，其中有机侧基附连到硅酮原子上。由于硅酮具有良好的抗近UV/蓝辐射性，所以硅酮透光外壳比碳主链有机塑料展示更好的可靠性。具有介于大约41和46之间的肖氏A硬度、大于大约1.3的折射率和大于大约5.5 MPa的抗张强度的透明甲基硅酮是合适的。一个示例性硅酮是RTV-615。硅酮具有改进从LED组件中提取光的能力。通过修整硅酮，诸如(但不限于)添加有机/无机官能团(附连到硅酮中的Si-O主链上的基)，或者添加纳米微粒(诸如但不限于TiO2、ZrO2等)，改进透光外壳中的光提取效率是可行的。通过改变附连到Si-O主链上的官能团，或者通过改变官能团的布置，在1.0至1.8之间修整硅酮的折射率是可行的。磷光体微粒能具有1.0至2.0之间的折射率。通过使用匹配磷光体的折射率的硅酮，能实现光的前向散射。通过有意地在硅酮和磷光体微粒的折射率之间产生失配，能改进非前向的散射。光在前向和非前向上的散射是必需的，以在整体上更好地从扩散光源中提取光。与一般的基于有机碳主链的塑料相比，这里提到的硅酮和磷光体微粒之间的折射率匹配(失配)允许有更好的光提取效率，一般的基于有机碳主链的塑料无法进行折射率修整，并且因此在光提取方面不那么高效。
硅酮透光外壳包括散布在其中的至少一种磷光体，使得硅酮外壳形成为有磷光体悬浮在其内部。磷光体可均匀地散布在外壳内，或者备选地，磷光体可不均匀地散布，诸如通过形成影响强度、颜色或在外壳上提供各种标记的各种型式。主题硅酮/磷光体外壳优化磷光体的粒度分布。优选地，磷光体微粒具有大于大约5微米的平均磷光体粒度D50，从而改进LED组件的光提取。
硅酮透光外壳能以各种方式固定到印刷电路板上，诸如通过粘合剂、通过外周和凹槽之间的摩擦配合、通过紧固件等等。使用导热环氧树脂是一个良好的备选方案。硅酮透光外壳与印刷电路板一起限定容纳发光芯片的内部容积。在一些实施例中，硅酮外壳的外周和印刷电路板之间的连接是基本不透空气的密封连接，该密封连接基本密闭地密封内部容积。在其它实施例中，外周和印刷电路板之间的连接不是密闭密封的，而是可包含一个或多个间隙、开口等。
硅酮外壳和印刷电路板之间的内部容积可基本填充有密封剂29。密封剂可为例如硅酮密封剂、环氧树脂密封剂等。由LED芯片产生的光可透过密封剂，密封剂用作折射率匹配材料，从而促进从LED芯片中提取光，并且优选地还促进光与磷光体耦合。在将硅酮外壳密封到印刷电路板上之后，可将密封剂注入到内部容积中。
磷光体配置成响应于发光芯片的照射而输出经转换的光。选择磷光体，以产生由发光管芯或发光芯片产生的辐射的一部分或基本全部的期望波长转换。术语“磷光体”要理解成包括单种磷化合物或磷混合物，或者被选择来产生选择的波长转换的两种或更多种磷化合物的合成物，如本领域中已知的那样。例如，磷光体可为包括共同提供白光或基本白光的发黄光、发绿光和发蓝光的磷化合物的磷合成物。这个白光或大体上的白光可拥有例如在1931 CIE色度图中的在大约0.30至大约0.55的范围中的x值，以及在大约0.30至大约0.551931的范围中的y值。在一些实施例中，磷光体还能具有可选的发红光化合物，以更好地呈现颜色。在一些实施例中，发光管芯或芯片是发出紫辐射或近紫外辐射的III族氮化物发光二极管芯片，并且磷光体将由芯片产生的大部分或所有光转换成白光或基本白光。对于白色输出，能选择磷光体和发光芯片来对灯提供合适的颜色温度和颜色呈现。在一些实施例中，发光管芯或芯片是发出蓝色辐射或浅蓝色辐射的III族氮化物发光二极管芯片，并且磷光体是将蓝色辐射或浅蓝色辐射中的仅仅一些转换成微黄光的微黄磷光体。选择直接的(未经转换的)浅蓝光和经转换的微黄光的比，以使其近似白光。本领域技术人员能容易地选择适于执行特定的光转换的其它磷光体。
现在参照图3，发光组件30能另外装配有玻璃罩。更具体而言，LED 34驻留在印刷电路板32上。在这种情况下，组件圆顶36包括注有磷光体的硅酮圆顶38，玻璃罩40，以及将玻璃罩40固定到硅酮圆顶38上的中间硅酮粘合剂层42。也可采用密封剂39。用导热材料(诸如环氧树脂，其导热率为至少1w/m/oK，大致等于玻璃或比玻璃更好)将组件圆顶36固定到印刷电路板32上可为合乎需要的。
已经发现，在某些应用中，玻璃罩40有利地用作散热器，以防止发光组件过热。具有在超过110°下运行的目前可用的磷光体材料的组件会造成降低的磷光体性能。已经发现包括玻璃圆顶可将温度保持在低于110°的合乎需要的范围，使得获得良好的CCT和每瓦流明（lumen）。大体上，已经发现，具有小于大约20 mm的外径的发光组件可最好地受益于包括散热玻璃圆顶。尽管如此，在发光组件具有大于20 mm的外径的情况下，包括散热玻璃圆顶也可具有有益效果。玻璃圆顶能改进发光组件的蓝色发光，使得CCT成为冷白色。此外，通过添加玻璃罩，能实现高达300 oK的颜色偏移。还构想到的是，可采用相反的设计，其中，包含硅酮圆顶的磷光体驻留在玻璃圆顶的顶部上。这在窄带滤光片设置在玻璃圆顶的表面上的情况下可为特别有益的。在这种情况下，置于LED和磷光体层之间的窄带滤光片将朝下的白光的至少一部分转向到组件的外部。典型的玻璃材料可为低温熔化玻璃(熔点小于400C)、中温熔化玻璃(400C-1000C)，以及能在较高的温度(1000C+)下形成的玻璃。示例包括石英玻璃。
另外已经发现，在硅酮外壳中包括导热微粒能在热特性上具有有利效果。例如，氮化铝、氧化铝或铟锡氧化物在此环境中能用作热导体。优选地，热导体由大小较小的微粒构成，诸如介于5纳米和15微米之间。直径小于10纳米、具有透明特性的纳米微粒也许是更合乎需要的。热导体能在硅酮内包括高达大约50%的材料加载，但大体认为至少50%的加载应当由磷光体材料组成。
本文描述的硅酮/磷光体外壳产生远程磷光体构造，从而消除由于在磷光体太接近LED以及磷光体产生的光子转向回到LED芯片时发生的吸收而引起的光损失。
现在参照图4，阐述合适的制造过程的流程图。能通过预混合两部分或更多部分来制备硅酮/磷光体外壳。大体上，两部分硅石是有利的，因为第二部分有助于交联。可添加附加的成分/组分，以促进光特性/热特性/电特性等。这些添加物能与磷光体材料一起添加到第一部分或者第二部分硅酮，以形成给料(步骤50)。通过使用诸如注射模制(injection molding)等成形方法，给料优选地形成为诸如片材或圆顶的形状(步骤52)。在一个示例中，将给料注射到模具中，从而提供圆顶。备选地，硅酮/磷光体外壳能直接覆模(overmold)在玻璃圆顶内。给料应当是足以被推到成形腔体中的流体。一旦在腔体的内部，给料获得腔体的形状。然后对注射模制部件进行后处理，以形成有磷光体悬浮在其中的硅酮构件。后处理可包括烘烤或固化，以允许硅酮单体均匀地交联(步骤54)。与仅允许熔化液体凝固相反，使硅酮/磷光体材料固化允许在暴露于近UV或蓝辐射时有改进的可靠性和抗性。硅酮的参数，诸如磷光体的量、所使用的磷光体的类型、包括在给料中的这些磷光体的粒度分布、黏度等规定模制圆顶的发光特征。
现在参照图5(俯视图、端透视图以及取出的圆顶)，模具能包括协作半部(half)60和62，协作半部60和62包括对应的凸部64和凹部66。凸部/凹部在形状上设置成产生腔体，硅酮圆顶68能在该腔体中模制。提供对准标签70和插孔72来建立模具半部60和62的恰当配合。
使用有磷光体悬浮在其中的硅酮外壳允许非常精确地控制用于制造远程磷光体LED产品的磷光体的量。这种精确控制允许在制造过程期间减少磷光体材料的浪费。本文提供的硅酮外壳另外提供改进远程磷光体几何结构中的颜色变化的能力。另外，主题发光组件优化粒度分布或磷光体，从而改进光提取，这包括使从LED中的p-n结中发出的光到达周围环境。此外，所有以上元件的组合提供颜色温度介于大约2500 K和10000 K之间、CRI在大约70至100之间的白光。
描述了前述照明组件包括圆顶形透光外壳；但是，硅酮透光透镜可如期望的那样形成为各种形状，以适合于特定应用。现在参照图6，硅酮透光外壳可备选地呈片材的形式。更具体而言，发光组件80包括光引擎81，光引擎81由设置在衬底84(诸如壳体83内的PCB)上的多个LED 82组成。也固定到壳体83上的是设置成接收从LED 82中发出的光的注有磷光体的硅酮片材88。玻璃罩85设置在片材88上，以对片材88提供散热。玻璃罩85能是空心的，或者至少基本上实心的。导热粘合剂能用来形成这个联结。混合室86能确保有完全地混合的光，从而产生均匀的颜色和良好的颜色一致性。透光密封剂87可填充混合室86的内部。这个组件提供产生远程磷光体构造的能力，同时对于在空间上受到约束的照明应用是理想的。
已经参照优选实施例描述了示例性实施例。显然，在阅读和理解前述详细描述之后，本领域技术人员将想到修改和更改。意于的是，将示例性实施例理解成包括所有这样的修改和更改，只要它们在所附权利要求或其等效体的范围之内。

Claims (21)

1. 一种用于制造发光组件的方法，所述方法包括：
将至少一个发光芯片固定到板上；
将两部分或更多部分的硅酮与磷光体材料预混合，从而形成给料；
使所述给料在模具中成形，以形成硅酮外壳；
对所述硅酮外壳进行后处理，使磷光体悬浮在其中；以及
将所述外壳设置在所述发光芯片上面。
2. 根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括将玻璃圆顶固定到所述硅酮外壳上。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述固定步骤包括应用导热粘合剂。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述后处理包括热交联。
5. 一种照明组件，包括：
至少一个发光芯片；
支承所述至少一个发光芯片的板；以及
透光性硅酮外壳，其包括设置在其中的磷光体材料，其中，所述透光性硅酮外壳定位成接收由所述芯片发出的光。
6. 根据权利要求5所述的照明组件，所述照明组件包括至少两个发光芯片。
7. 根据权利要求5所述的发光组件，其中，所述外壳包括大于大约20 mm的直径。
8. 根据权利要求5所述的发光组件，其中，所述磷光体材料包括发光以产生白光混合的不同磷光体的混合物。
9. 根据权利要求5所述的发光组件，所述发光组件进一步包括与所述硅酮外壳进行热传递的玻璃构件。
10. 根据权利要求5所述的发光组件，其中，所述硅酮包括具有大约41和46之间的肖氏A硬度、大于大约1.3的折射率和大于大约5.5 Mpa的抗张强度的透明甲基硅酮。
11. 一种发光组件，包括：承载至少一个发光二极管的支承件；由包括磷光体材料的硅酮构成的透光圆顶，所述圆顶定位成接收由所述二极管发出的光；以及与所述圆顶进行热传递的玻璃罩。
12. 根据权利要求11所述的发光组件，其中，所述圆顶和所述罩同心地成形。
13. 根据权利要求11所述的发光组件，所述发光组件进一步包括将所述罩固定到所述圆顶上的粘合剂。
14. 根据权利要求11所述的发光装置，其中，所述粘合剂具有至少1瓦/米/oK的导热率。
15. 根据权利要求11所述的发光组件，其中，所述圆顶包括导热填料。
16. 根据权利要求15所述的发光组件，其中，所述填料选自Al2O3、ITO、AlN和它们的混合物。
17. 根据权利要求15所述的发光组件，其中，所述填料具有大约10 nm的平均粒度。
18. 根据权利要求11所述的发光组件，所述发光组件包括至少两个发光二极管。
19. 根据权利要求11所述的发光组件，其中，所述圆顶具有小于大约20 mm的直径。
20. 一种发光组件，包括：至少一个发光二极管；接收由所述光二极管发出的光的硅酮片材，所述片材包括散布的磷光体材料；以及与所述片材进行热传递的玻璃构件。
21. 根据权利要求20所述的发光组件，其中，所述玻璃构件包括玻璃圆顶。
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